新显微镜技术揭示了淀粉样蛋白的动态结构

　　

淀粉样蛋白(A-β)聚集体是蛋白质的缠结，与阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病最显著相关。尽管它一直备受关注，但研究人员一直无法很好地理解A- β是如何聚集和分裂的。

“A-β在各种环境中的行为方式，包括人类大脑，是难以捉摸的，”Brian Sun说，他是圣路易斯华盛顿大学电气系统和工程专业的本科生，现在是医学院的博士生。“人们对生长和衰败的理解还没有完全充实。”

这种情况将会改变，这要归功于Sun教授和他的同事们在华盛顿大学麦凯维工程学院电气与系统工程系(ESE)副教授Matthew Lew实验室发表的一项研究。

在这类工作中，Sun和他的同事们首次能够测量淀粉样纤维β -薄片组合，即蛋白质聚集的底层支柱，当它们发生变化时。以前的高分辨率显微镜研究只能得到静态镜头。

Lew以乐高积木为例，指出当前的成像技术可以显示整个乐高积木，但无法显示每块积木的结构。

Lew说:“我们想专门研究A-β蛋白底层结构的动态，这可能是导致我们所看到的变化的原因，而不仅仅是整体形状的变化。单个蛋白质总是随着环境的变化而变化。这就像某种乐高积木导致其他积木改变形状一样。蛋白质结构的变化和聚集在一起的聚集体导致了神经变性疾病的复杂性。”

Lew实验室开发了一种新型成像技术，使他们能够看到生物系统纳米结构的方向和其他微小细节，这些细节以前是看不见的。他们的技术——单分子定向定位显微镜(SMOLM)——利用化学探针发出的闪光，将Aβ42(一种A-β肽)下面的肽片可视化。

使用SMOLM可以让他们看到潜在的β -薄片的个体方向，以了解它们的组织之间的关系，以及它们与淀粉样蛋白的整体结构之间的关系。

多种重塑方式

A-β42是不断变化的，第一步是试图找到一种方法，一种模型或行为模式来预测蛋白质的行为。

现在Lew实验室可以进行这些测量，他们进行了一些直观的观察，发现了隐藏在淀粉样蛋白结构中的一些惊喜。

正如预期的那样，稳定的A-β42结构倾向于保持稳定的底层β片;生长中的结构有底层的β-薄片，随着生长的继续，它们变得更加明确和坚硬。腐烂的结构表现出越来越无序和更少刚性的β -薄片。但他们也发现了A-β42的不止一种修复方式。

“A-β42结构有多种不同的方式保持稳定，或者生长和衰变，”Sun说。

研究人员还发现，A-β42的生长和衰变方式出乎意料。例如，Aβ42可以以保持底层结构的方式生长和衰变;有时会有缩氨酸堆积的生长，但底层的-薄片的方向不会改变。在其他情况下，A-β42经历“稳定衰变”，发生相反的情况，即肽离开，但β片结构保留下来。最后，A-β42的β -薄片有时会重组和改变方向，而不会立即伴随整体形状的变化。这些纳米结构重组可能导致未来的大规模重塑。

Sun说:“因为SMOLM可以追踪A-β42的底层组织，而不仅仅是它的形状，我们可以看到不同种类的重塑亚型，这些亚型在衍射有限的非定向成像模式下是不可见的。”

如果这一切听起来有点模糊，请记住，这是第一次看到这些不断变化的纳米级结构。之前没有作品可以比较，这使得更值得注意的是，Sun在创作这部作品的同时，还在应对COVID-19封锁限制和他在华盛顿大学的本科课程，他在三年内完成了这些课程。这为他和其他人开始真正掌握淀粉样蛋白结构铺平了道路。在他的医学博士/博士研究生阶段，他计划设计纳米级成像系统和传感器，以揭示难以治疗的疾病的隐藏机制，他可能最终会追逐更多这些问题。

华盛顿大学ESE系和Lew实验室的严格训练使Sun的研究和学术轨迹成为可能，华盛顿大学的MSTP支持了他毕业后继续研究。“我真的很高兴我经历了这段旅程，”他说。

Sun B, Ding T, Zhou W, Porter TS, Lew MD. Single-Molecule Orientation Imaging Reveals the Nano-Architecture of Amyloid Fibrils Undergoing Growth and Decay. Nano Lett. 2024, 24, 24, 7276–7283.